城市轨道交通车辆电气控制 课件2-3任务3车辆继电器控制系统的应用

车辆继电器控制系统的应用目录有触点继电器的应用12无触点继电器的应用学习目标了解城轨车辆电气控制的两种方式理解无触点逻辑控制的原理及特点。掌握有触点继电器控制的特点及应用。了解城市轨道交通车辆的供电制式。车辆继电器控制系统的应用

城市轨道交通车辆电气控制主要有两种。一种是传统的有触点电路控制方式它通过一系列接触器、继电器等器件的接通和断开来传递控制与检测信号，从而实现整车的控制，这种控制线路也称为继电器控制线路，这种控制技术成熟，应用也比较广泛，如图为城轨车辆继电器柜中的继电器。车辆继电器柜车辆继电器控制系统的应用另外一种是无触点逻辑控制（LCU）可编程逻辑控制单元采用无触点技术方案，可完全替代车辆电气控制系统中继电器等触点部件，实现直接控制和驱动列车接触器和电控阀等。LCU车辆继电器控制系统的应用采用LCU替代部分继电器，大大降低了日图常维护成本，且故障率较低。如深圳1号线8列车，2010~2012年分批改造后投入运营，累计运行里程约460万公里。继电器替代范围超过65%正线故障率下降约87%，电器故障率约为2.9次/（列*十万公里），LCU正线故障频率：0.17次/（列*十万公里），未对正线运营造成晚点指标影响，寿命周期维护成本下降（约50万/列）。深圳1号线车辆继电器控制系统的应用很多地铁新线直接采用LCU控制，如厦门地铁3号线，呼和浩特地铁2号线等厦门地铁3号线呼和浩特地铁2号线

有触点继电器的应用01有触点继电器的应用

它通过一系列接触器、继电器等器件的接通和断开来传递控制与检测信号，从而实现整车的控制，这种控制技术成熟，应用也比较广泛。可见，继电器在控制电路中有着至关重要的作用，继电器的可靠性直接关系到整车的运行。……列车各低压服务系统的控制车门开关及锁闭状态制动系统工作状态牵引回路控制受电弓升降控制受继电器控制继电器的参数额定工作电压：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。继电器的应用环境不同，可以是交流也可以是直流，城市轨道交通车辆大多采用DC110V或DC24V。吸合电流：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。释放电流：是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度，继电器就会恢复到未通电的释放状态。继电器的参数触点切换电压和电流：是指继电器运行加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。额定负载：是指在规定的动作次数(寿命)内、在规定的动作频率下，触点所能切换的纯阻性负载的大小。45时间继电器城轨车辆继电器特点继电器使用环境恶劣由于城轨车辆设备安装空间有限，且继电器数量较多，所以厂家一般将继电器密贴安装，不利于散热；同时因为电气柜非密封环境，容易积累灰尘。这两方面导致继电器使用环境较为恶劣。继电器工况恶劣列车继电器应用于不同的控制电路，动作条件不一样：有的动作频繁，最高可达每天200次；有的线圈得电时间长，最长得电保持时间可达16h。动作越频繁或得电时间越长的继电器，故障率往往高于其他的继电器。城轨车辆继电器特点低压回路特性电压：线圈断电会产生很大的反峰电压，如果抑制二极管未安装好，触点上通过的直流电弧时间会延长，易产生界面膜电阻，导致触点导电性能降低，甚至烧结。电流：触点通过的电流并不是越小越可靠，电流小于100mA，电弧作用明显减弱，膜电阻较难击穿，易出现“低电平失效”。若通过继电器的电流较小，尤其动作频次低的继电器的动合触点，电弧冲击次数少，触点表面“又黑又厚”，是故障高发点。负载类型：低负载时主要存在接触不良的问题，高负载时主要存在电弧放电造成触点熔结等故障。不同的负载电流通断时候产生的浪涌电流大小也不同。变压器、电机、照明等的负载中有较大的冲击电流流通，因此常有接点熔化事故发生。城轨车辆继电器选型注意事项面对纷繁复杂的现代继电器产品，如何合理选择、正确使用，是降低继电器故障率的关键，是直接影响应用设备性能与实用可靠性的至关重要的环节。城轨车辆继电器选型注意事项参数选型额定工作电压的选择继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。在使用继电器时，应该首先考虑所在电路(即继电器线圈所在的电路)的工作电压，继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压。注意所在电路的工作电压千万不能超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈烧毁。城轨车辆继电器选型注意事项参数选型②触点负载的选择触点负载是指触点的承受能力。继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流，所以在使用继电器时，应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不能超过该继电器的触点负载能力。例如，有一继电器的触点负载为110V(DC)×1A，表明该继电器触点只能工作在直流电压为110V的电路上，触点电流为1A，超过110V或1A，会影响继电器正常使用，甚至烧毁触点。城轨车辆继电器选型注意事项继电器动作时间的选型

继电器的动作时间也非常关键。例如地铁车辆控制系统中要求响应迅速。关于低压继电器、断路器、接触器的动作响应时间，先进水平<20ms。如果动作响应时间>20ms，在多个继电器顺序切换中就会出现逻辑顺序紊乱的情况，特别是共用同一个动触点的常闭、常开分别断开一个电路、接通另一个电路的时候，常常出现一个电路还没来得及完全断开另一个电路已经闭合。有时如果上述两个电路同时闭合时，电路可能会出现严重短路事故。城轨车辆继电器选型注意事项根据负载情况选择继电器触点的种类和容量

国内外长期实践证明，继电器约70%的故障发生在触点上，足见正确选择和使用继电器触点非常重要。根据负载容量大小和负载性质（阻性、感性、容性）确定参数十分重要。一般情况，继电器切换负荷在额定电压下，电流大于100mA时，小于额定电流的75%最好。电流小于100mA会使触点积碳增加，可靠性下降，故100mA称作试验电流，是国内外专业标准对继电器生产厂工艺条件和水平的考核内容。由于一般继电器不具备低电平切换能力，用于切换50mv、50μA以下负荷的继电器，必要时应请继电器生产厂协助选型。城轨车辆继电器维护措施

通过上述的继电器使用情况，可以看出地铁列车继电器的检修仅靠简单的检查是不够的，还需要一定的维护措施：城轨车辆继电器选型注意事项

定期对关键继电器进行仔细的检查，对继电器的运行情况进行仔细的核实，并且对继电器的外观以及接线开展全面的普查工作。

定期对继电器及继电器箱体中的灰尘进行清理。0102城轨车辆继电器选型注意事项

根据继电器的故障情况分析，继电器动作次数越多，故障发生的机率越高。结合实际使用情况以及重要性进行分析，对关键继电器进行定期维护更换。

选用合适的新型号继电器，使继电器额定值与电路中电流值相当，通过继电器自身通断产生的电弧，击穿触头产生的氧化膜，使触头阻值稳定，充分利用继电器本身的“自洁”功能。0304城轨车辆继电器维护措施

继电器在列车控制回路上的作用目前还无法替代，在将来亦会继续起着重要作用，因此工作人员应该定期的对继电器开展检查和维护的工作，进一步的延长继电器的使用寿命，从而有效的提升车辆运行的效率。

无触点继电器的应用02城轨车辆继电器维护措施由于继电器控制方案具有故障率高、可靠性低、布线与接线复杂、维护难度大等缺点，故因继电器卡位、抖动、接触不良等偶发性部件故障导致的列车故障，在出库检查时极难发现，且在故障发生后，列车进行回库检查时，很难进行故障重现，因此引发的晚点、清客事故也越来越多，从而大大影响了车辆运营和维护效率，急需针对所存在的问题研发新一代产品，以降低电气控制故障率。城轨车辆继电器维护措施地铁列车无触点逻辑控制单元（MetroLogicControlUnit，简称：LCU）采用无触点式可编程控制技术，通过微机控制单元的软件实现车辆各种电器的逻辑联锁关系，并利用电力电子器件代替继电器，直接驱动和控制外部负载，保证各种控制命令的执行，从根本上解决继电器卡滞、接触不良、延迟响应等缺陷，更好的保障列车的安全运行。LCU外观图系统架构设计

LCU基本单元由主控板、I/O板、电源板、MVB通信板、以太网通信板、CAN通信板、接口板及GIO板组成，如图所示。LCU的A、B组为两套硬件完全一致的主控板、输入输出板、电源板，内部网络通信采用冗余设计。LCU结构图系统架构设计LCU系统架构示意图系统架构设计LCU电气结构示意图系统架构设计电源板:将列车DC110V转换为各板卡的DC5V工作电源。主控板是LCU系统运行的核心。LCU有A、B2组互为冗余的主控板，能够完成LCU逻辑运算、逻辑延时、自诊断及自恢复、工作组控制及切换等逻辑控制功能。I/O板实现LCU装置逻辑输入采集、逻辑输出驱动、通道电路自检等功能。MVB通信板实现LCU装置与列车TCMS系统的数据交互。系统架构设计CAN通信板实现LCU装置间的数据交互。以太网通信板实现LCU装置与列车信息服务网络云平台的数据交互，并实现通过U盘来完成数据转储功能。接口板实现将各输入输出信号连接转接到机箱外部连接器。GIO板实现LCU装置逻辑输出驱动、通道电路自检等功能。机械结构介绍规格1采用标准6U（U为装载量度，1U=4.445cm）机箱尺寸值进行设计。整机尺寸如图所示：(435．86×215×265．2)mm(长×宽×高)。规格2采用标准3U机箱尺寸值进行设计。整机尺寸：(354．57×215×132．60)mm(长×宽×高)。LCU整机尺寸图LCU工作条件和技术参数环境温度范围为-25～+70℃；最高海拔高度为2000IYl；存储温度范围为-40～+85℃；采用自然冷却散热方式；考虑电气柜铝合金框架的承载能力，最大质量小于20kg；LCU工作条件和技术参数尺寸不得超出电气柜框架尺寸，安全尺寸应控制在小于480mm×250mm×300mm的框架内；系统电源DC110V(允许波动范围为-30％～+25％)，功耗≤100W；LCU设备提供的输入点位数及输出点位数应大于改造所需的实际数量，且留有一定的预留接口；LCU采用模块化设计，具有电源冗余、功能插件冗余、网络冗余.LCU功能特点

LCU在整车中，负责采集司机控制器、按键开关、隔离开关、接触器辅助触点等110V的信号，经过逻辑运算后，输出驱动车辆各类负载，完成指定的时序控制功能。此外，LCU系统具备故障自诊断、故障定位以及切换、日志记录以及离线数据分析等功能。LCU具备功能特点如下：逻辑功能

通信功能

自诊断功能热备冗余功能

切换功能事件记录功能应用逻辑PTU维护软件实时处理功能保护功能LCU工作条件和技术参数逻辑功能逻辑控制装置通过硬件与软件结合的方式，具备完全可编程定时、延时功能，能够完全替代原控制电路中时间继电器、中间继电器等有触点控制器件所构成的时序电路。通信功能LCU系统支持MVB、ETH、CAN等列车网络功能。此外，还可根据不同的网络需求，适配不同的网络接口。自诊断功能LCU具备自诊断功能，能够实时检测自身的输入输出通道，电源、通信模块以及关键器件的工作状态，同时在面板指示灯及司机室HMI上显示。LCU工作条件和技术参数热备冗余功能系统采用单板热备冗余设计，对电源板，主控板、I/O板卡进行冗余设计，冗余板卡在任意单点故障后可实现单板的无缝切换，不会出现列车相关功能缺失；单板切换时间小于继电器动作时间16ms。切换功能系统上电可根据单双日AB板卡轮流升主或默认A板长期为主，也支持强制切换AB组功能。保护功能当负载出现短路或过载时，输出通道能够立即保护，并自动断开该路输出，当短路或过载消失后，能够自动恢复；电源模块具备过欠压保护、过流保护以及短路保护功能。实时处理功能LCU任何输入至输出响应延迟时间不超过30ms。LCU工作条件和技术参数事件记录功能系统能记录所有输入输出通道的状态变化及故障状态数据，作为TCMS系统事件记录仪记录变量的补充。记录日志数据可达到120000条，故障数据可达2000条，记录间隔时间的分辨率为2ms，所有记录数据均可通过通讯进行下载分析。应用逻辑二次开发基于德国KW平台的PLC应用逻辑开发，完全符合61131-3标准，支持在线监控、离线仿真及单步调试。PTU维护软件LCU专用的PTU维护软件，进行日志数据下载及离线分析，可支持历史IO时序分析、故障分析。LCU替代继电器的原则

根据LCU自身特性及列车技术特点，并基于安全性及可靠性考量，LCU替代继电器的原则建议如下：可以完全替代用于逻辑控制和驱动的中间继电器和延时继电器有：受电弓、高速断路器控制电路；方向控制指令电路；牵引（含使能）/制动指令控制电路；开关门控制指令及监视回路；列车零速信号驱动电路。LCU替代继电器的原则

根据LCU自身特性及列车技术特点，并基于安全性及可靠性考量，LCU替代继电器的原则建议如下：暂不替代的继电器有：受激活机制限制，蓄电池激活电路不替代；受输出容量限制，大电流负载电路不替代；受信号系统安全等级限制，ATP相关电路不替代；鉴于LCU为新兴技术，紧急制动环路暂不替代。LCU优点

综上所述，无触点控制技术就是通过可编程的逻辑控制单元的软件逻辑来替代传统的继电器构架逻辑进行列车的控制。LCU与继电器相比具有以下优点：01具有自诊断功能，方便了故障的查找，对于重要信息可直接纳入列车控制和管理系统（TCMS）管理，减少了列车日常维护工作量与难度。03LCU安装在司机室电气柜中，安装空间更节约，为新技术产品应用提供了安装空间。02可靠性较高。为了系统的可靠性，可以在一列车上布置两套完全冗LCU单元，通过旋钮进行切换，也可以通过软件看门狗的方式自动进行切换。LCU优点04设计便利。LCU的硬件结构可以采用通用型模块设计，可根据不同对象进行组合和扩展，以满足不同控制要求，具有很大的灵活性和扩展性。由于计算机所具有的数据处理能力和逻辑判断功能，使得原来难以实现的车辆有触点控制电路的故障诊断变得相对简单。利用软件编程来完成逻辑控制任务，一旦需要进行逻辑变更，可以方便快速地修改软件来变更车辆的控制逻辑，从而满足控制